(57)【要約】【課題】  車両からストレスが加わって発生する軸受けの剥離を防止して高い信頼性を維持することができる車両用交流発電機を提供すること。【解決手段】  車両用交流発電機１は、ベルトを介してエンジンによって駆動されて回転磁束を発生する回転子３と、回転磁束によって起電力を発生する電機子巻線を有する固定子２と、固定子２が固定されるハウジング４と、回転子３に固定されベルト動力を伝達するプーリ１０２と、回転子３を回転可能に支持するとともにハウジング４に固定される軸受け５、６とを備える。ハウジング４に収納された鉄部材からなるブッシュ４１が備わっている。プーリ側に配置された軸受け５は内輪、外輪およびボールが鉄部材で構成されており、外輪がブッシュ４１に締め代を持って圧入されている。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ベルトを介してエンジンによって駆動されて回転磁束を発生する回転子と、前記回転磁束によって起電力を発生する電機子巻線を有する固定子と、前記固定子が固定されるハウジングと、前記回転子に固定されベルト動力を伝達するプーリと、前記回転子を回転可能に支持するとともに前記ハウジングに固定される軸受けとを備える車両用交流発電機において、
前記ハウジングに収納された鉄部材からなるブッシュをさらに備えるとともに、
前記プーリ側に配置された前記軸受けは内輪、外輪および転動体が鉄部材で構成されており、前記外輪が前記ブッシュに締め代を持って圧入されていることを特徴とする車両用交流発電機。
【請求項２】
請求項１において、
前記ブッシュは、前記ハウジングに圧入固定されていることを特徴とする車両用交流発電機。
【請求項３】
請求項１において、
前記ブッシュは、前記ハウジングに鋳込み固定されていることを特徴とする車両用交流発電機。
【請求項４】
請求項２または３において、
前記ブッシュは、前記ハウジングに固定された後に、前記外輪との対向面が切削加工処理されていることを特徴とする車両用交流発電機。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかにおいて、
前記ベルトは、ポリＶベルトであることを特徴とする車両用交流発電機。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかにおいて、
前記ベルトを介してエンジンから前記プーリに回転駆動力を伝えるベルト駆動システムとしてサーペンタイン方式が用いられることを特徴とする車両用交流発電機。
【請求項７】
請求項６において、
前記ベルト駆動システムは、５軸以上であることを特徴とする車両用交流発電機。
【請求項８】
請求項６または７において、
前記ベルト駆動システムには、前記ベルトの張力を自動的に調整するオートテンショナが備わっていることを特徴とする車両用交流発電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、乗用車、トラックなどに搭載され、ベルト駆動される車両用交流発電機に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、自動車に搭載された車両用交流発電機、エアコン、アイドラプーリ等の補機部品に用いられている転がり軸受けは、振動や温度などの厳しい条件下で使用される場合が多く、新しい形態の組織変化を伴う剥離が顕在化してきた。この剥離は、外輪、内輪、ボール(またはローラ）いずれの部位でも発生する。その特徴は、従来の一般的な転がり疲労寿命とは異なり、一旦発生すると、ごく短時間（従来比で１／１００〜１／１０００程度）で、ボールに対応する外輪表面等が剥離する点にある。
【０００３】
また、この剥離現象は、振動が大きい、温度が高いといった、転がり軸受けへ加わるストレスが大きな車両で必ずしも発生するわけではなく、何が原因であるのかも特定できない状況であった。そのため、明確な科学的根拠のない応急処置で対処しており、本格的な対策を施していないのが実情であった。例えば、この剥離現象の原因として、グリース中の水分あるいは結露によって生じた水分が分解し、これに伴って発生した水素イオンが外輪やボール等の金属内に侵入し、水素脆性により早期剥離が発生するということが剥離原因の一つとして考えられていた（例えば、特許文献１参照。）。しかし、水素発生を抑制したグリースを用いても、期待通りに早期剥離をなくすことはできていない。
【０００４】
特に、補機部品の中でも、増速比が最も大きく、回転体のイナーシャ自体も大きい車両用交流発電機では、増速比の２乗を乗じた等価イナーシャはさらに大きくなり、そのためか信頼性試験等において、上記の剥離不具合発生頻度が最も大きかった。また、ベルト張力が大きく設定されるポリＶベルトやベルト緩みを防止するオートテンショナ付のベルト駆動システムに塔載される補機部品では発生頻度が高い傾向があった。
【特許文献１】特開２００２−２２７８５４号公報（第５−８頁、図１−３）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本出願の発明者らは、図６に示すような単純な繰り返し回転変動を印加する回転変動試験を用いることにより剥離現象を再現することができることを見出した。この試験は、実際の４気筒エンジンの振動をシミュレートすべくモータを制御して回転数の２倍の次数（エンジンの爆発の次数相当）で平均回転変動率２％の回転リップルを加えて行った（実際のエンジンのこの回転数ではごくありふれた変動率である。アイドリング近辺では３０％以上も変動する。）。図７は、試験に使用した回転数パターンなどの条件を示す図である。ベルトテンションは一般車両の平均値に設定した。
【０００６】
その結果、ボールが剥離する不具合を再現させることができた。また、注目すべき点としては、剥離発生直後の不具合品の特徴として、図８に示すように、ボールの軌道面に圧痕があることを発見した。再現試験条件では大きな荷重はかかっておらず、本来圧痕は発生し得ない。荷重による応力が降伏応力を超えた場合に圧痕（塑性変形）は発生するが、当接面に摩擦力が生じた場合（潤滑不良時）には、さらに小さい応力で圧痕が発生する。したがって、発明者らは、大きな荷重ではなく、何らかの条件により潤滑不良が発生して圧痕の発生に至ったと推定した。軸受けでは、回転でグリースを巻き込むことにより油膜が生成される。しかし、これが何らかの条件により、例えば外輪とボールの相対速度がなくなるような条件で衝突があったと仮定すると、巻きこみによる油膜は形成されないため、回転潤滑を想定した基油では潤滑されないことになる。
【０００７】
発明者らは、適当な速度成分による衝突など、ＥＨＬ理論（弾性流体潤滑理論）が成立し得ない条件が車両と回転ストレスとによって発生し、軸受け駆動輪（内輪）とボールの間の潤滑が不良になって、圧痕が発生したと推定した。そして、この圧痕を起因として、良好な軸受け機能が損なわれ、剥離に至ったと考えた。
【０００８】
車両用交流発電機で使用される転がり軸受けは一般に数μｍの隙間を設け、内外輪とボールとの間の締め代圧力が過大に発生しないようにして、温度上昇を抑えるとともにグリースの熱劣化による金属間の接触による焼付きを防止している。しかし、隙間があれば、当然ながら、振動により、内外輪とボールとの間の衝突が発生する。現在の軸受けの隙間設計は、車両用交流発電機が高温条件下で使用されることを前提とし、熱応力が加わって、軸受けの内外輪が歪んでも焼付けを起こさないように設計されている。したがって、隙間を小さくして軸受けを製造すると、焼付き不具合という新たな問題が発生する。
【０００９】
本発明は、このような点に鑑みて創作されたものであり、その目的は、車両からストレスが加わって発生する軸受けの剥離を防止して高い信頼性を維持することができる車両用交流発電機を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上述した課題を解決するために、本発明の車両用交流発電機は、ベルトを介してエンジンによって駆動されて回転磁束を発生する回転子と、回転磁束によって起電力を発生する電機子巻線を有する固定子と、固定子が固定されるハウジングと、回転子に固定されベルト動力を伝達するプーリと、回転子を回転可能に支持するとともにハウジングに固定される軸受けとを備えており、ハウジングに収納された鉄部材からなるブッシュをさらに備えるとともに、プーリ側に配置された軸受けは内輪、外輪および転動体が鉄部材で構成されており、外輪がブッシュに締め代を持って圧入されている。
【００１１】
従来から車両用交流発電機で使用される軸受けは、一般にアルミニウム製のハウジングに締め代を持って圧入され、外輪が回動したり、外れないように固定されている。しかし、エンジン高温下の発電時には車両用交流発電機も高温になるため、ハウジングと軸受けとの間で熱膨張差による熱応力が発生する。単純には圧入締め代が緩くなる方向であるが、ハウジングのステー部や窓、あるいは締め代が緩くなる分を補う固定用ボルトの影響などにより、軸受けの転動面（転動体に対向する外輪や内輪の表面）が歪んでしまう。これに対し、本発明では、鉄部材で構成されたブッシュに軸受けが締め代を持って圧入されているため、発電時の高温下であっても軸受けとこれを圧入する固定部材としてのブッシュとが同一の熱膨張を示すため、軸受けの軌道面が歪むことがない。また、ブッシュは径方向に一様な形状とすることができるため、ハウジングと異なってステー部や窓の部分の影響を受けることがなく、この面でも真円度が増して形状も安定化する。さらに、ブッシュを構成する鉄部材は、アルミニウムよりも剛性が高いため、テンション荷重による歪みも防止することができる。したがって、軸受けの内輪および外輪と転動体との間の隙間を最小限とすることができ、転動体と軌道面が衝突する確率を著しく改善することでき（少なくすることができ）、剥離不具合の発生を防止することができる。また、焼付けの不具合発生がなくなることから、車両用交流発電機の高い信頼性を維持することができる。
【００１２】
また、上述したブッシュは、ハウジングに圧入固定されていることが望ましい。ブッシュをハウジングに固定することにより、ハウジングを含む車両用交流発電機全体をコンパクトに構成することが可能になる。
【００１３】
また、上述したブッシュは、ハウジングに鋳込み固定されていることが望ましい。ブッシュをハウジングに鋳込み固定することにより、ハウジングを含む車両用交流発電機全体をコンパクトに構成することが可能になる。
【００１４】
また、上述したブッシュは、ハウジングに固定された後に、外輪との対向面が切削加工処理されていることが望ましい。ハウジングに固定された後にブッシュを切削加工することにより、ハウジングにブッシュを固定する際に発生する歪みを除去することができる。これにより、軸受けの軌道面の歪みをさらに低減することができ、軸受けの内輪および外輪と転動体との間の隙間をさらに小さくすることが可能になる。
【００１５】
また、上述したベルトは、ポリＶベルトであることが望ましい。ポリＶベルトでは一般にベルトテンションが大きめに設定される。このため、車両用交流発電機を含む各補機部品のプーリに加わる軸荷重も大きくなる。これにより、軸受けの軌道輪と転動体が衝突する際にバネ力として作用して衝撃力を高めるため、衝突による不具合が発生しやすくなる。また、ベルト荷重により軸受けが歪みやすくなることは、特にプーリ側において顕著である。これに対し、本発明では、軸受けの軌道面の形状が安定化するため、軌道面と転動体との間の衝突を防止することができ、高信頼の車両用交流発電機を提供することができる。
【００１６】
また、上述したベルトを介してエンジンからプーリに回転駆動力を伝えるベルト駆動システムとしてサーペンタイン方式が用いられることが望ましい。サーペンタイン方式のベルト駆動システムでは、１本のベルトで多数の補機部品を駆動するため、回転が不安定になりやすい。また、横振動、縦振動によるベルト共振は駆動軸分だけ存在するため、共振が生じる回転数と実際の回転数とが一致する確率が増し、回転と振動のストレスから、軸受けの軌道面と転動体との間の衝突が発生しやすくなる。したがって、このようなベルト駆動システムに本発明を適用することにより、剥離不具合の発生防止および高信頼性維持の高い効果を期待することができる。
【００１７】
また、上述したベルト駆動システムは、５軸以上であることが望ましい。特に、５軸以上のサーペンタイン方式のベルト駆動システムでは、システムの特性方程式が５次以上になって理論上の固有値が求められない場合が多い。このように、共振設計が難しいため、思わぬ共振により不具合が発生しやすくなる。したがって、このようなベルト駆動システムに本発明を適用することにより、剥離不具合の発生防止および高信頼性維持の高い効果を期待することができる。
【００１８】
また、上述したベルト駆動システムには、ベルトの張力を自動的に調整するオートテンショナが備わっていることが望ましい。オートテンショナは、ベルトの張力を一定とすべくベルトを押さえる機能を持つが、過渡的なテンション変動時では、そのバネ力で補機部品にベルトを介して衝撃荷重を加えてしまうことがある。本発明では、軸受けの軌道輪の転動体とが衝突する確率を下げることができるため、オートテンショナの使用に伴って発生する衝撃荷重に対しても軸受けの剥離を防止して高い信頼性を維持することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明を適用した一実施形態の車両用交流発電機について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００２０】
図１は、一実施形態の車両用交流発電機の全体構成を示す断面図である。また、図２は図１に示す車両用交流発電機を含むベルト駆動システムの構成を示す図である。図２に示すように、本実施形態では、クランク軸（Ｃ／Ｓ）、エアコン（Ａ／Ｃ）、車両用交流発電機（ＡＬＴ）、アイドラ（Idler）、パワーステアリング（Ｐ／Ｓ）、ウォーターポンプ（Ｗ／Ｐ）、オートテンショナ（Ａ／Ｔ）のそれぞれに固定されて回転する７種類のプーリ１００〜１０６がベルト１１０で連結された７軸のサーペンタイン方式のベルト駆動システムが用いられる。例えば、クランクプーリ１００に対して車両用交流発電機のプーリ１０２は直径が１／３．３に設定されており、車両用交流発電機の回転数はエンジンのクランク軸の回転数に対して３．３倍で増速されている。また、ベルト１１０は６溝のポリＶベルトが使用されている。クランクプーリ１００のベルト緩み側にねじりバネ式のオートテンショナが取り付けられており、緩み側のベルトテンションが一定となるように調整される。本実施形態では、ベルトテンションが４００Ｎに設定されている。このベルト駆動システムは、１本のベルトで多数の補機を駆動するいわゆるサーペンタイン方式であり、図２に示すように、クランク軸（Ｃ／Ｓ）、エアコン（Ａ／Ｃ）、車両用交流発電機（ＡＬＴ）、アイドラ（Idler）、パワーステアリング（Ｐ／Ｓ）、ウォーターポンプ（Ｗ／Ｐ）、オートテンショナ（Ａ／Ｔ）の順で駆動されている。
【００２１】
また、図１に示すように、車両用交流発電機１は、回転磁束によって起電力を発生する電機子巻線が巻装されて電機子として働く固定子２と、界磁として働いて回転磁束を発生する回転子３と、回転子３の回転軸８を支持するフロント側軸受け５（プーリ側をフロント、反プーリ側をリア側と称する。）およびリア側軸受け６と、固定子２を支持して固定するハウジング４と、固定子２に電気的に接続されて交流電力を直流に変換する整流器１２と、界磁電流量を増減して発電量を制御する電圧調整器１１とを含んで構成されている。
【００２２】
回転子３は、回転軸８と一体になって回転しており、回転子鉄心としてのランデル型ポールコア３１、３２、冷却ファン３３、３４等によって構成されている。回転軸８は、フロント側軸受け５とリア側軸受け６とによって回転可能に支持されており、一方端にベルト動力を伝達するプーリ１０２がナット２１によって締め付け固定されているとともに、他方端にスリップリング９、１０が備わっている。
【００２３】
以下、フロント側軸受け５とその周囲の構造について説明する。図３は、フロント側軸受け５の断面図である。なお、リア側軸受け６も寸法が異なるのみで同様な構造を有している。図３に示すように、フロント側軸受け５は、外輪５１と、内輪５２と、転動体としてのボール５３と、ボール５３を保持して回転する保持器５４と、端部の防水用シール５５と、内部に充填される潤滑用のグリース（図示せず）等によって構成されている。本実施形態では、このフロント側軸受け５の外輪５１の最外径を４７ｍｍ、内輪５２の最内径を１７ｍｍとし、リア側軸受け６の外輪５１の最外径を３５ｍｍ、内輪５２の最内径を１５ｍｍとしている。また、フロント側軸受け５のボール５３は、直径が９ｍｍで、７個が用いられている。リア側軸受け６のボール５３は、直径が６ｍｍで、８個が用いられている。グリースは、フロント側軸受け５とリア側軸受け６とで同じものが使用されている。フロント側軸受け５は、リテーナプレート７によって外輪５１の一方の軸方向端面が押圧されており、このリテーナプレート７が複数本のボルト７１によりハウジング４に固定されている。
【００２４】
ハウジング４には、フロント側軸受け５を固定するために鉄部材からなるブッシュ４１が圧入固定されている。図４は、ブッシュ４１の外観形状を示す斜視図である。図４に示すように、ブッシュ４１は、円筒形状を有しており、外周面の４箇所に軸方向に沿った溝４２が形成されている。これらの溝４２は、リテーナプレート７を固定するために用いられるボルト７１に対応する位置に設けられており、ボルト７１との干渉を避けるための逃がし用である。ブッシュ４１をハウジング４に圧入固定した後に、ブッシュ４１の内径が切削加工される。その後、ブッシュ４１の内径側にフロント側軸受け５の外輪５１が圧入される。このときに、フロント側軸受け５の外輪５１および内輪５２とボール５３との間に適切な隙間が形成されるように、フロント側軸受け５の外周面とブッシュ４１の内周面との間に適切な締め代が設定されている。
【００２５】
このように、フロント側軸受け５が鉄製のブッシュ４１に締め代を持って圧入されている。車両用交流発電機１のフロント側軸受け５の外輪５１、内輪５２およびボール５３の材質としては、ＳＵＪ２等の鉄部材が強度的に適切である。本実施形態ではブッシュ４１を鉄製としているため、発電時の高温条件下であっても、フロント軸受け５と固定部材であるブッシュ４１が同一の熱膨張を示すため、軸受け軌道面（外輪５１および内輪５２（特に外輪５１）のボール５３に対する対向面）が歪むことがない。
【００２６】
また、ブッシュ４１は、円筒形状で径方向にほぼ一様な形状を有しているため、ハウジング４と異なりステー部や窓の部分の影響を受けず、真円度が増して形状も安定化する。しかも、ブッシュ４１は、アルミニウムよりも剛性が高いため、ベルトテンション荷重による歪みや、リテーナプレート７を介したボルト軸力による歪みも防止することができる。
【００２７】
また、ハウジング４にブッシュ４１を圧入後、ブッシュ４１の内周面を切削加工することにより、ハウジング４にブッシュ４１を圧入した際に生じた内周面の歪が除去できるため、フロント側軸受け５を圧入した後の軸受け軌道面をさらに安定化させることができる。
【００２８】
したがって、フロント側軸受け５の外輪５１および内輪５２とボール５３との間の隙間の設定を最小とすることができ、ボール５３と軸受け軌道面の衝突の確率を著しく改善することができ（低減することができ）、衝突の圧痕に起因する剥離不具合の発生を防止することができる。また。焼付けの不具合発生がなくなることから、車両用交流発電機１の高い信頼性を維持することができる。
【００２９】
車両から加わるストレスを考慮した場合、上述した軸受け部品間（フロント軸受け５の外輪５１および内輪５２とボール５３との間）の衝突は下記条件で発生しやすく、その条件下で本実施形態のフロント軸受け５周りの構造を採用することがより効果的である。
【００３０】
エンジン側より見た補機部品の等価イナーシャは、増速比の２乗倍を乗じた数値となる。等価イナーシャが大きな補機部品ほどベルトの伸び縮みで不安定な挙動を起こしやすい。車両用交流発電機１は、増速比が２〜３（図２に示す例では３．３）で他の補機部品と比較して最も増速比が大きい。したがって、車両用交流発電機１にフロント軸受け５周りに本実施形態の構造（ブッシュ４１とその固定方法等）を採用することが軸受けの剥離防止のためには最も効果的である。
【００３１】
また、ポリＶベルトは、一般に大きなテンションが設定されるため、各補機部品のプーリに加わる軸荷重も大きくなる。これは、軸受け軌道輪とボール５３が衝突する際の衝撃力を高めることになるため、不具合が発生しやすい。このようなベルト駆動システムでは、本実施形態の構造を採用することが軸受けの剥離防止のためには効果的である。
【００３２】
また、サーペンタイン方式のベルト駆動システムでは、１本のベルトで多数の補機部品を駆動するため、回転が不安定になりやすい。また、横振動、縦振動のベルト共振は駆動軸分だけ存在するため、共振が生じる回転数と実際の回転数とが一致する確立が増し、回転と振動のストレスから、軸受け部品間の衝突が発生しやすい。特に、５軸以上のサーペンタイン方式のベルト駆動システムでは、システムの特性方程式が５次以上になって理論上の固有値が求められない場合が多い。したがって、このようなベルト駆動システムに本実施形態の構造を採用することにより、剥離不具合の発生防止および高信頼性維持の高い効果を期待することができる。
【００３３】
さらに、オートテンショナ付のベルト駆動システムでは、オートテンショナはベルトの張力を一定とすべく、ベルトを押さえる機能を持つが、過渡的なテンション変動時では、そのバネ力で補機部品にベルトを介して衝撃荷重を加えてしまうことがある。本実施形態の構造を採用することにより、軸受け部品間の衝突の確率を下げることができるため、オートテンショナの使用に伴って発生する衝撃荷重に対しても軸受けの剥離を防止して高い信頼性を維持することができる。
【００３４】
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内において種々の変形実施が可能である。上述した実施形態では、ハウジング４にブッシュ４１を圧入したが、ハウジング４にブッシュ４１を鋳込み成形することにより、ブッシュ４１を鋳込み固定してもよい。図５は、鋳込み成形に適したブッシュ形状を示す図である。図５に示すように、ブッシュ４４は、ハウジング４との接合強度を増やすために、外径部に係り止め部４５が多数設けられている。このブッシュ４４を一体化したハウジング４を鋳込み成形することにより、リテーナプレート７等が不要になるため、ハウジング４を含む車両用交流発電機１全体をコンパクトに構成することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】一実施形態の車両用交流発電機の全体構成を示す断面図である。
【図２】図１に示す車両用交流発電機を含むベルト駆動システムのレイアウトを示す図である。
【図３】フロント側軸受けの断面図である。
【図４】ブッシュの外観形状を示す斜視図である。
【図５】鋳込み成形に適したブッシュ形状を示す図である。
【図６】回転変動試験の説明図である。
【図７】回転変動試験の回転条件を示した説明図である。
【図８】回転変動試験での不具合再現品の軌道輪を示した図である。
【符号の説明】
【００３６】
１  車両用交流発電機
２  固定子
３  回転子
４  ハウジング
５  フロント側軸受け
６  リア側軸受け
７  リテーナプレート
４１  ブッシュ
５１  外輪
５２  内輪
５３  ボール
【図１】
2006352934.tif 000003
【図２】
2006352934.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2006352934.tif 000008
【図７】
2006352934.tif 000009
【図８】
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